Simulação de meso e microescala dos ventos no extremo sul do Brasil

Abstract

O aumento na demanda por energia elétrica de fontes sustentáveis e o desenvolvimento da indústria eólica indicam que aerogeradores estão sendo instalados em diferentes locais. Em cada ambiente de instalação devem ser observadas certas peculiaridades, o que torna necessária uma modelagem adequada das características do vento. A fim de avaliar corretamente a produção de energia eólica em cada região, neste trabalho foi aplicado um modelo de mesoescala associado a um modelo de simulação grandes turbilhões para simular a circulação local na região da cidade do Rio Grande, na costa sul do estado do Rio Grande do Sul. Foram realizadas simulações para o período de fevereiro de 2015, com três e cinco domínios na horizontal e com 47 e 83 níveis na vertical em cada domínio horizontal. As componentes zonal, meridional e vertical do vento e a temperatura virtual foram comparadas a dados observacionais de alta frequência medidos na área de estudo. O modelo de mesoescala representa adequadamente as componentes zonal e meridional, mas a componente vertical do vento apresenta muitas diferenças em relação a observação, o que impacta na simulação dos fluxos verticais e dos diferentes parâmetros da turbulência atmosférica, como a velocidade de atrito, fluxo de calor sensível e parâmetro de estabilidade. Observa-se que a componente vertical do vento tem melhor representação na simulação de grandes turbilhões com 83 níveis verticais e quando há aumento de intensidade durante o período noturno. Quando são comparados os resultados da simulação utilizando a modelagem de grandes turbilhões com a simulação de mesoescala, encontra-se valores bem próximos e correlação acima de 90% para as componentes zonal e meridional do vento e temperatura virtual próxima de 80% para a vertical. Propõe-se que para fazer previsão de potência eólica nessa região é mais eficiente, em termos de custos computacionais, a utilização da modelagem de mesoescala com espaçamento de grade horizontal de 540 m e 83 níveis na vertical. Para a análise dos fluxos e variáveis dependentes da componente vertical do vento, é necessária a utilização da modelagem de grandes turbilhões. A perspectiva futura desta pesquisa é expandir a área de estudo para outras regiões vizinhas e comparar os dados de previsão com os dados de geração efetiva nos parques eólicos já existentes.An increase in the demand for electricity generate by sustainable sources and the development of the wind power industry indicates that wind turbines are being installed in different locations. In each installation environment, certain peculiarities must be noted, which points to the need for adequate modeling of wind characteristics so the wind energy production in each region will be correctly evaluated. A mesoscale model associated with a large eddy simulation model was applied to simulate the local circulation in the region of the city of Rio Grande, on the southern coast of the State of Rio Grande do Sul. Simulations were performed for February 2015, with three and five domains in the horizontal and with 47 and 83 levels in the vertical in each horizontal domain. The zonal, meridional and vertical wind components and the virtual temperature were compared to high-frequency observational data measured at the study area for this period. The mesoscale model is able to represent the zonal and meridional components, however, the vertical wind component presents many differences from the observation, which impacts the simulation of the vertical flows and the other atmospheric turbulence parameters, such as the friction velocity, sensible heat flux, stability parameter, and Richardson number. The vertical component of the wind has a better representation with the large eddies simulation and 83 vertical levels. When the large eddy simulation and the mesoscale model results are compared, there is a correlation above 90% for the zonal and meridional wind components, close to 80% for the vertical, and the virtual temperature has 100% correlation. Therefore, the wind power estimate in this region is more efficient in terms of computational costs with mesoscale simulation using a horizontal domain of 540 m and 83 levels in the vertical. For the analysis of vertical flows and variables dependent on the vertical wind component, the use of large eddy simulation is required. The future perspective of this research is to expand the study area to other regions and compare the forecast data with actual wind power generation data at existing wind farms.